強大的新興功能材料：氮化鋁薄膜

發布時間 | 2021-07-20 11:11 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 2851

稀土氮化鋁

導讀：? 薄膜材料是現代科學新興的特殊功能材料，同塊體材料相比，薄膜材料具有許多特殊性能，如極薄的厚度產生尺寸效應，由于薄膜材料比表面積很大，會形成顯著的表面效應，對表面能、表面態...

薄膜材料是現代科學新興的特殊功能材料，同塊體材料相比，薄膜材料具有許多特殊性能，如極薄的厚度產生尺寸效應，由于薄膜材料比表面積很大，會形成顯著的表面效應，對表面能、表面態、表面散射和表面干涉均有影響，另外在薄膜材料中還包含有大量的表面晶粒間界和缺陷態，對電子輸運性能也影響較大。在基片和薄膜之間還存在有一定的相互作用，因而就會出現薄膜與基片之間的粘附性和附著力問題，以及內應力的問題。這些性能賦予薄膜材料在光、熱、電、機械等方面豐富的功能性，薄膜材料現已經廣泛應用與信息、微電子、航空技術等高科技領域。

高導熱薄膜

氮化鋁（AlN）作為III-V 族寬禁帶半導體材料，有著許多潛在的優良性能，其制備的氮化鋁薄膜材料也具有很多優異的物理化學性質，如高的擊穿場強、高熱導率、高電阻率、高化學和熱穩定性以及良好的光學及力學性能。

高質量的氮化鋁薄膜還具有極高的超聲傳輸速度、較小的聲波損耗、相當大的壓電耦合常數，與Si、GaAs相近的熱膨脹系數等特點。AlN獨特的性質使它在機械、微電子、光學以及電子元器件、聲表面波器件(SAW)制造和高頻寬帶通信等領域有著廣闊的應用前景。

氮化鋁薄膜的主要物理性質

氮化鋁薄膜的應用領域

目前，氮化鋁薄膜的主要應用方向為電子封裝領域、LED藍紫外發光材料、半導體材料生長過渡層、壓電薄膜等領域。

（1）作為壓電薄膜材料

聲表面波器件是利用材料的壓電特性而制作的一類器件，包括濾波器和延遲線等，廣泛用于通訊、廣播、遙控和遙測等技術。其中心頻率取決于聲表面波在壓電薄膜上的傳播速度和叉指電極寬度。

目前，聲表面波器件常用壓電材料是ZnO、LiTaO ₃和LiNbO₃，與它們相比，AlN沿c軸聲表面波傳播速度高達6-6.2km/s，這是壓電材料中較高的，幾乎是LiTaO₃ 和LiNbO₃的兩倍。這樣，采用AlN薄膜在不減小叉指電極寬度情況下，就可將中心頻率提高一倍，達到當前通訊業發展所需要的GHz級。

氮化鋁薄膜作為聲表面波器件的晶體基片壓電薄膜

（2）用于電子元器件領域

當今微電子技術領域，在硅晶體管之間加入絕緣物質，也即在頂層硅和背襯底之間引入一層埋氧化層，這種作為絕緣埋層的SOI材料實現了器件制作層(頂層Si)與襯底的電學隔離，大大降低了傳統體硅器件中影響器件速度性能的各種寄生效應，因而被廣泛應用于高速、低耗、高密集成電路。

然而，傳統SOI材料通常采用SiO₂作為絕緣埋層，而SiO₂的熱導率較低，導致了嚴重的自加熱效應，阻礙了傳統SOI材料在高密高功率集成電路中的應用。而AIN的熱導率約是SiO₂的200倍，且具有良好的絕緣性，與Si的熱膨脹系數相匹配，AIN薄膜有極好的絕緣特性和優于SiO₂的熱導率，很適合用作SOI結構的絕緣埋層。

氮化鋁薄膜作為SOI絕緣埋層（Buried Oxide）

（3）用于GaN、InN等材料外延緩沖層

作為第三代半導體材料體系，ⅢA族氮化物禁帶寬度相應于覆蓋光譜中整個紅外到可見光及紫外光的范圍。如此寬的連續可調的直接帶隙是其它材料體系所不能比擬的，加之發光效率高、電子漂移飽和速率高等特點，使其在短波長發光二極管(LED)，激光二極管(LD)和紫外探測器等光電子器件領域有著巨大的應用潛力。

目前GaN和InN都是目前國際上研究的熱點，由于與藍寶石、硅晶格失配過大，直接在這兩種襯底上生長的GaN和InN薄膜質量較差，光電學性能也不好，很難達到器件工藝要求。用AIN薄膜作為緩沖層能顯著提高GaN外延薄膜的質量，明顯改善電學和光學性能。

氮化鋁薄膜作為藍寶石襯底上的緩沖層

（4）作為發光層材料

薄膜電致發光(TFEL)顯示是薄膜在光電領域一個特別有潛力的發展方向，這種技術決定發光性質的是發光層，發光材料的一個關鍵要求就是該材料的禁帶寬度必須大于發光中心產生光子的能量，這樣才不致于產生可見光吸收現象。另外還必須有高介電強度，在1 MeV·cm^-1的電場作用下不發生介電擊穿并且在閥值電壓下保持其絕緣特性。

傳統的硫基發光材料由于存在化學不穩定以及對潮濕敏感等內在的缺點給器件制作帶來了很大的困難，并且硫基TFEL器件在大氣中工作時會出現在很短時間內性能下降的情況。AIN具有足夠寬的禁帶寬度，具有比硫基發光體更高的化學和熱穩定性，如今也成為備受關注的薄膜發光材料，不僅可以作為藍光紫外光的發光源材料，如果摻雜合理，還可以作為整個可見光區域的發光源材料。

氮化鋁薄膜作為紫外發光源

另外，目前氮化鋁薄膜也給難以突破的深紫外探測器的發展及應用帶來了希望，AlN的禁帶寬度為6.2eV，屬于高阻半導體，對應波長為200nm，隸屬于深紫外波段，非常適合作為深紫外光源。下圖為各種半導體材料禁帶寬度的對比圖，從圖中可以看出，AlN 的禁帶寬度遙遙領先于其他材料。

常見半導體禁帶寬度和晶格常數

（5）作為單色冷陰極材料

由于氮化鋁表面是一種負電子親和表面材料，能在低溫下發射電子。由此可以用作單色冷陰極，這種冷陰極源能夠提高電子顯微鏡的分辨率，在真空電子學領域有許多用途。而且，在電場中，電子可以容易地逃逸出表面，因此獲得大的場發射電流密度。大的場發射電流密度可應用于非常薄的平板顯示器，即用于場發射顯示器和微真空管，因此AlN薄膜可用于場發射顯示器和微真空管。

用于場發射顯示器

（6）作為磁光記錄材料表面增透膜

稀土-過渡族金屬(RE -TM)非晶垂直磁化膜被認為是第一代可擦寫磁盤記錄材料，但它仍然存在著稀土元素易氧化和磁光克爾角較小等缺點。AlN 薄膜具有致密（高折射率）、高穩定性和抗蝕性，可以保護磁光薄膜中稀土元素不受氧化，它的高透過率、低消光系數、恰當的膜厚對RE -TM磁光記錄材料進行增透，增強了磁光克爾效應。

表面增透膜

總結

目前，氮化鋁薄膜的制備尚且處于設備復雜、造價昂貴、難于商品化的階段，并且所使用的制備薄膜的方法通常要求將襯底加熱到較高的溫度。目前低溫制備氮化鋁薄膜的方法還不成熟、不完善。而集成光學器件的發展，需要在較低的溫度下進行薄膜制備，以避免對襯底材料的熱損傷。改進氮化鋁薄膜的制備方法，在較低的溫度、較簡單的工藝條件下得到更致密、更均勻、更高純度、更低成本的氮化鋁薄膜，還有大量的工作需要去做。隨著研究工作的深入，氮化鋁薄膜的應用領域將會日益廣泛。